第1章2平面机构自由度.ppt

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1、1,主要内容,1 机构组成原理,1-1 运动副及其分类 1-2 平面机构运动简图 1-3 平面机构的自由度,2,基本要求,1 机构组成原理,掌握平面机构运动简图的绘制 掌握机构自由度计算 了解平面机构组成的基本原理,重点及难点,平面机构运动简图的测绘 平面机构自由度计算及注意事项,3,1-1 运动副及其分类,引言,机器是由机构组成的，机构是由构件组成的，任意拚凑的一堆构件能否成为实现所需功能的机构？能否具有确定的相对运动呢？构件组合成机构需满足什么条件？,对于任何一个机构，其外形很复杂，有没有必要将其外形准确画出呢？,4,1-1 运动副及其分类,1.自由度（Degree of Freedom）

2、,组成机构的构件在未与其它构件组合之前，都是一个自由运动的物体。做平面运动时，具有三个独立运动的可能性（沿X轴，Y轴方向移动和绕A点转动）。,自由度,5,1-1 运动副及其分类,2.运动副(Kinematical pair),机构是人为构件的组合，每个构件都要以一定的方式与其它构件相互接触和联接，这就限制了构件的自由度，但正是这种接触和联接才使机构具有确定的相对运动。,运动副,6,1-1 运动副及其分类,运动副分类,(kinematical pair),根据两构件的接触方式分为：低副：构件与构件之间为面接触的运动副。,高副：构件与构件之间为点、线接触的运动副。,7,1-1 运动副及其分类,低副

3、（lower pair）移动副,组成移动副的两构件只能沿某一轴线方向相对移动。限制沿另一轴向移动和平面内转动两个自由度，保留了沿另一轴方向移动的自由度。,8,1-1 运动副及其分类,回转副,限制两个移动的自由度，保留一个转动的自由度，组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动。又称转动副，铰链。,9,1-1 运动副及其分类,高副（higher pair）,齿轮副,车轮与钢轨,凸轮副,限制一个移动自由度，保留二个的自由度,10,1-2 平面机构运动简图,1.平面机构运动简图(Kinematical Sketch of Mechanism),机器是由机构组成，因此，在对现有机构进行分析，或是构思新

4、机械的运动方案和对组成新机械的各种机构作进一步的运动及动力设计时，需要一种表示机构的简明图形机构运动简图。,撇开构件外形和运动副具体构造，仅用简单的线条和符号表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，以说明机构中各构件间相对运动关系的简单图形。,11,1-2 平面机构运动简图,2.运动副的表示方法,12,1-2 平面机构运动简图,移动副,13,1-2 平面机构运动简图,高副,两构件组成高副时，画出两构件接触处的轮廓曲线。,齿轮副,凸轮副,14,1-2 平面机构运动简图,构件表示方法,带两个转动副的构件,机架,机架,杆、轴构件,固定构件,15,1-2 平面机构运动简图,常用机构的简图符号,电

5、动机,凸 轮,16,1-2 平面机构运动简图,17,1-2 平面机构运动简图,18,1-2 平面机构运动简图,19,1-2 平面机构运动简图,3.机构运动简图的绘制方法,分析机构的组成，找出原动件、从动件、机架；分析各构件间运动副的种类及数目；选定适当比例尺，用构件和运动副的规定符号绘出,在原动件上标出箭头以表示其运动方向。,20,1-2 平面机构运动简图,实例,绘制如图所示曲柄滑块机构,选定适当比例尺，定出 A、B、C的相对位置,用构件和运动副规定符号绘出机构运动简图,A,21,1-2 平面机构运动简图,分析,2、1绕轴线A相对转动，组成以A为中心的回转副；,机构由机架1、曲柄2、连杆3、滑

6、块4共四个构件组成 原动件-曲柄，从动件-滑块和连杆；,2、3绕轴线B相对转动，组成回转副B；,滑块4在机架的滑道内往复移动，组成移动副。,3、4绕轴线C相对转动，组成回转副C；,A,B,C,22,1-2 平面机构运动简图,实例,绘制鹤式起重机机构运动简图,23,1-2 平面机构运动简图,24,1-2 平面机构运动简图,25,1-2 平面机构运动简图,实例,绘制抽水机机构运动简图,26,1-2 平面机构运动简图,实例,27,1-3 平面机构的自由度,思考,以三角板为例：三个构件用三个转动副相联结，是否成为机构？,机构是具有确定相对运动的构件组合，那么任意组合在一起的一堆构件能否构成传递运动和力

7、的机构？是否具有确定的相对运动？,机构具有确定相对运动的条件是什么？,28,1-3 平面机构的自由度,1.平面机构自由度的计算,自由度是物体具有独立运动的数目，一个平面独立构件有三个自由度，两个构件通过运动副联接起来后，其相对运动受到约束，使之失去某些自由度。,低副限制二个自由度，高副限制一个自由度。,机构的自由度,29,1-3 平面机构的自由度,实例,如图四杆机构共有1、2、3、4共四个构件，除去机架4，共有活动构件数为 3，未用运动副联接前，这些活动构件的自由度总数为33=9，用运动副联接起来组成机构后，各构件自由度减少了，共有4个回转副共限制24=8个自由度。故机构的自由度数目为F=33

8、-24=1。,30,1-3 平面机构的自由度,结论,若某平面机构共有K个构件，除去固定件，机构中活动构件数为 n=k-1，未用运动副联接之前，这些活动构件的自由度总数应为3n，当用运动副将构件连接起来组成机构之后，机构中各构件具有的自由度数减少了，若机构中低副的数目为PL个，高副的数目为PH个，则机构中全部运动副所引入的约束总数为2PL+PH，则,机构自由度数目=,31,1-3 平面机构的自由度,实例,n=5 pL=7 PH=0 F=3n-2pL-PH=35-27-0=1,32,1-3 平面机构的自由度,2.机构具有确定相对运动的条件,观察图示三杆机构自由度,无论以何构件为原动件时，各构件间都

9、没有相对运动。,F=32-23=0,33,1-3 平面机构的自由度,观察图示四杆机构自由度,当1为原动件时，机构具有确定的相对运动。,F=33-(24+0)=1,34,1-3 平面机构的自由度,当构件1、3为原动件时，机构不能动作。,F=33-(24+0)=1,35,1-3 平面机构的自由度,观察图示五杆机构自由度,当1为原动件时，机构不具有确定的相对运动。,F=34-25=2,36,1-3 平面机构的自由度,当增加构件4为原动件时，机构各构件间具有确定的相对运动。,37,1-3 平面机构的自由度,机构具有确定相对运动的条件,38,1-3 平面机构的自由度,2.计算平面机构自由度的注意事项,两

10、个以上的构件同时在一处以转动副相联,K个构件汇交而成的复合铰链具有(K-1）个回转副,复合铰链,39,1-3 平面机构的自由度,实例,n=5 pL=7 PH=0 C处为复合铰链F=3n-2pL-PH=35-27-0=1,40,1-3 平面机构的自由度,局部自由度,左图自由度为：F=3x3-2x3-1=2,计算右图自由度为：F=3x2-2x2-1=1,41,1-3 平面机构的自由度,上图机构，只需要一个原动件，计算自由度与实际不一致。,比较：上图中凸轮和从动件之间安装了一个活动滚子，无论滚子绕其轴线是否转动或转动快慢，都不影响从动件的运动规律，这种自由度为局部自由度。在计算时应排除这个局部自由度

11、。,42,定义：若机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运动有关，并不影响其他构件的运动，则称这种自由度为局部自由度。,局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子；轴承中的滚珠。,解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视为一个构件。,1-3 平面机构的自由度,43,1-3 平面机构的自由度,虚约束,右图五杆机构自由度：,解：n=4 pL=6 PH=0F342600,计算结果与实际情况不相符。其原因在于构件3 和构件5 连接点 E 的轨迹原来就相同，加入构件5（引入三个自由度）及转动副 E、F（共引入四个约束条件）所增加的一个约束条件实际上对机

12、构的运动只起到重复限制作用。,44,虚约束的存在对机构的运动没有影响，但引入虚约束后可以改善机构的受力情况，可以增加机构的刚性，因此得到较多的使用。,1-3 平面机构的自由度,这种起重复限制作用的约束称为虚约束，在计算机构自由度时，应当除去虚约束。,45,1-3 平面机构的自由度,虚约束出现于下列情况：,两个构件之间组成多个导路平行的移动副时，只有一个移动副起作用，其余都是虚约束。,46,1-3 平面机构的自由度,机构运动时，如果两构件上两点间的距离始终保持不变，将此两点用构件和运动副联结，会带进虚约束。,47,1-3 平面机构的自由度,(b),两个构件之间组成多个轴线重合的回转副时只有一个回

13、转副起作用，其余都是虚约束。例如：两个轴承支持一根轴只能看作一个回转副。,48,1-3 平面机构的自由度,两构件之间构成多个凸轮副时，只有一个凸轮副起作用，其余都是虚约束。,49,1-3 平面机构的自由度,机构中对传递运动不起独立作用的对称部分。,50,1-3 平面机构的自由度,实例1,F=3n-2pL-PH=35-27-0=1,n=5 pL=7 PH=0,C处为复合铰链,A,B,C,D,E,51,1-3 平面机构的自由度,实例2,F=3n-2pL-PH=37-29-2=1,n=7 pL=9 PH=2,E处为局部自由度,52,1-3 平面机构的自由度,实例4,1,2,3,4,5,6,7,C处为

14、复合铰、F 处为局部自由度、E处为两导路平行的虚约束。F=3n-2pL-PH=37-29-1=2 因自由度数=原动件个数，故机构具有确定的相对运动。,n=7 pL=9 PH=1,53,1-3 平面机构的自由度,实例5,n=7 pL=9 PH=2,F=3n-2pL-PH=37-29-2=1,54,1-3 平面机构的自由度,实例6,n=8 pL=11 PH=1,F=3n-2pL-PH=38-211-1=1,55,1-3 平面机构的自由度,n=9 pL=12 PH=2,F=3n-2pL-PH=39-212-2=1,实例7,56,1-3 平面机构的自由度,实例8,图示机构在组成上是否合理？指出其错误所

15、在,针对错误处更改局部运动副和构件，使之成为合理的机构。,n=5 pL=7 PH=1F=0,修改方案:去掉FH杆和运动副E后可以满足要求.,57,1-3 平面机构的自由度,如图为一简易冲床的设计方案。设计者的思路是：动力由齿轮1 输入，使轴A 连续回转;固装在轴A 上的凸轮2 与杠杆3 组成的凸轮机构将使冲头4 上下运动以达到冲压的目的。试绘出其机构运动简图，分析其是否能实现设计意图？并提出修改方案。,n=3 pL=4 PH=1F=0,A,B,修改方案:把B处该为带滑动槽的高副.,58,1-3 平面机构的自由度,作业,本章主要介绍了平面运动副的类型（低副、高副）和约束，平面机构运动简图的绘制方法，平面机构自由度计算及其注意事项（复合铰链、虚约束、局部自由度），机构具有确定运动的条件等内容。,1-1、1-5、1-6、1-10,小结,